电子系统抗干扰理论与技术

第一节噪声的定义和种类第二节抗干扰的三要素和抗干扰的积极措施第三节在噪声传播途径中抑制噪声的措施当前第1页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023第一节噪声的定义和种类一、噪声的定义对于电子电路中所称的噪声，可以概括地认为，它是对有用信号以外的所有电子信号的一个总称。最初，人们把造成收音机之类音响设备所发出噪声的那些电子信号，称为噪声。但是，一些非有用电子信号对电子电路造成的后果并非都和声音有关，因而，后来人们逐步扩大了噪声概念。例如，把造成电视屏幕有白斑或条纹的那些电子信号也称为噪声。现在，可以说，电路中除有用信号以外的一切信号，不管它对电路是否造成影响，都称为噪声。当前第2页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023例如，电源电压中的纹波或自激振荡，可以对电路造成不良的影响，使音响装置发出交流声或导致电路误动作，但有时也许并不导致上述后果。对于这种纹波或振荡，不管它对电路造成影响与否，都应称为电路的一种噪声。又如，某一频率的无线电波信号，对需要接收这种信号的接收机来讲，它是正常的有用信号，而对另一频率的接收机它就是一种无用信号，即是噪声。

当前第3页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023在电子学中常使用“干扰”这个术语。干扰被定义为:由外部噪声和无用电磁波在接收中所造成的骚扰。或者定义为:在接收一所需信号时，非所需能量造成的扰乱效应，包括其它信号的影响、杂散发射、人为噪声等，自然噪声一般不计算在内。

在国际无线电咨询委员会的文件中，干扰的结果被分为三类:允许的干扰可接受的干扰有害的干扰当前第4页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023“抗干扰”的定义是:结合电路的特点使干扰减少到最小。一个电子电路(甚至设备或系统)一方面害怕外界干扰的入侵，另一方面它又可能对其它电路产生干扰。例如接收机，它是怕干扰的，但接收机内的本地振荡级如果有泄漏，就可能干扰其它电路。又例如音频振荡器，它的输入端是低电平的，害怕受到干扰，但它的输出是高电平的，又会干扰其他设备。每一个电子电路、设备或系统在受干扰和干扰方面又有它主要的一面，如低电平电路是受干扰的，所以主要是考虑防止外来干扰，而电源、振荡电路等主要是干扰源，要防止它干扰其他设备。如果更具体些说明，怕干扰的要“抗干扰”，而对干扰源则要设法“抑制干扰”，我们为了叙述方便，使用了这两个名词，但总的来说都是“抗干扰”。当前第5页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023噪声是一种电子信号，而干扰是指的某种效应，是由于噪声原因对电路造成的一种不良反应。电路中存在着噪声，却不一定形成干扰。在数字电路中。往往可以用示波器观察到在正常的脉冲信号上混有一些小的尖峰脉冲，这种小尖峰脉冲是不期望的一种噪声。由于电路特性关系，这些小尖峰脉冲还不致于使数字电路的逻辑受到影响而发生混乱，所以可以认为是没有干扰。当然，噪声与干扰的区分有时候也是比较困难的，特别是由于人们在判别是否受到干扰这个问题的认识上有差异，故不容易区分哪些应叫做噪声，哪些应称为干扰。当一个噪声电压大到足以使电路受到干扰时，该噪声电压就称为干扰电压。而一个电路或一个器件，当它还能保持正常工作时所加的最大噪声电压，称为该电路或器件的抗干扰容限或抗扰度。一般说来，噪声很难消除，但可以设法降低噪声的强度或提高电路的抗扰度，以使噪声不致于形成干扰。当前第6页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023二、噪声的种类1、从噪声表现的状态来分类从噪声表现的状态可以把噪声分为规则噪声、连续的不规则噪声、间歇和瞬时噪声。规则噪声的典型例子如电源纹波，它是在直流电压上叠加的50H:电网频率(或二倍电网频率)的脉动波形，它是连续的和规则的。连续的不规则噪声如直流电机在运转时产生的噪声、开关式元器件工作时产生的噪声等，它们的振幅、频率及波形都是不规则的，但是连续发生的。间歇或瞬时噪声大多是外来的噪声，如电网中大功率设备的突然起动在电路中造成瞬间的浪涌脉冲等。当前第7页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232、从造成嗓声的机理来分类从造成噪声的机理来看可分成内部噪声和外部噪声二大类。内部噪声又可分为下列几种。(1>热噪声如电阻等由于热能作用时电子骚动所产生的噪声，几乎覆盖整个频谱。这种噪声总是存在的，但温度越低噪声越小。(2)颤噪噪声(话筒效应嗓声)当设备中的电路和元器件受到机械振动时，电路参数发生变化，如同微音器一样，在电路内产生噪声电压，这种噪声称颤噪噪声或话筒效应噪声。(3)散粒噪声如电子管阴极所发射的电子，每个都是彼此独立的，在各个短暂的瞬间，它们都是不连续的不规则的，这种不规则性引起的电特性变化，就成为一种频谱范围很宽的噪声。当前第8页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

4)闪变噪声电子管阴极物质的电子释放条件因时间而不同，从而引起电特性的变化，形成闪变效应的噪声。(5)交流声由于直流电源的整流滤波性能不好，或因布线等使电路藕合了变压器等的泄漏磁通，产生和电网频率相同或倍频的交流成分.这种噪声往往会在音响设备上发出令人讨厌的低频哼声，这种噪声叫作交流声。(6)热电势噪声异种金属相接触，在它们之间有温度差时，会产生电势，而成为一种热电势噪声。(7)接触噪声材料接触处接触不良使该处电导率起伏变化而引起的噪声。这种噪声常见于假焊、导线连接不牢靠、开关接点接触不良等。当前第9页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

(8)尖峰或振铃噪声电路中电流的突变，在电感负载上引起的尖峰反冲电压波或衰减振荡波而引起的噪声。(9)自激振荡自激振荡也是一种典型的内部噪声。它是由于在具有放大功能的电路中，其输出的一部分通过藕合以正反馈方式加到输入端而产生的。(10)反射噪声前后级电路不匹配，使长线传输的信号在接点处引起反射，产生相移，这就成为一种叠加在信号上的噪声。(11)分配噪声晶体管发射极区注入到基极区的少数载流子中，一部分经过基极区到达集电极形成集电极电流，一部分在基极区中复合。由于载流子复合时，其数量时多时少，导致集电极电流也随着起伏而引起所谓的分配噪声。当前第10页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023(12)1/f噪声或闪烁噪声晶体管、场效应管等器件在低频端所产生的一种噪声，其噪声功率与频率成反比地增大，故称1/f噪声。对这种噪声产生的机理，目前尚有不同见解，但已经知道它与半导体材料制作时清洁处理有关。(13)天线热噪声天线本身的热噪声是非常小的。但是，天线周围的介质微粒处于热运动状态，这种热运动产生扰动的电磁波辐射被天线接收，然后又由天线辐射出去。当接收与辐射的噪声功率相等时，天线和周围的介质处于热平衡状态，这样天线中就有了这种天线热噪声。(14)电化电势噪声这是电路中的金属在腐蚀时产生的一种电池效应，这种电他效应形成的噪声称电化电势噪声。当前第11页\共有91页\编于星期五\20点6/4/202311外部噪声可以分成人为噪声和自然噪声二种。人为噪声：(1)火花放电噪声如汽车的汽缸点火、继电器触点的开断、火花式高频设备的工作及电钻中整流子式电机转动时都会产生火花放电，火花放电会形成一系列含有很高频率成分的强烈噪声。(2)电晕放电噪声如臭氧发生器和高压输电线等都会产生一种电晕放电，这种放电具有间歇性质，并产生脉冲电流，从而成为一种噪声干扰;而且电晕放电过程还产生一种高频振荡，也会对电路产生干扰。电晕放电噪声主要对载波电话、低频航空无线电通信以及调幅广播等产生干扰。

当前第12页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

(3)辉光放电噪声当两个接点间的气体被电离时，在两个接点间就会产生一种再生的、能自己维持的辉光放电。辉光放电经常在继电器触点、开关接点处发生，这种放电除了能引起高频辐射外，还在配电线上引起电压电流的冲击。(4)脉冲式噪声数字电路中的脉冲信号、晶体振荡产生的时钟频率脉冲等，通过各种方式对其他电路产生干扰。(5)开关式噪声在开关电路中如晶体管、可控硅开关在工作时所产生的尖峰脉冲噪声，特别是在断开电感负载时产生的开关式噪声特别强烈。(6)电波噪声高频电路、无线电广播和通讯设备所辐射出的电磁波是对电路影响的一种电波噪声。当前第13页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023自然噪声：(1)大气噪声有时也称为天电噪声。自然界的雷电现象是一种常见大气噪声。地球上平均每秒钟发生100次左右的雷击闪电，每次雷电都产生强烈的电磁场骚动，并以电磁波形式传播到很远。在看不见雷电现象的情况下，干扰也可能会很严重。对设备、电网输电线的直接雷击或雷电感应，则会对电路产生幅度很高的浪涌电压而形成更厉害的干扰。另外，大气电离或空间电位变动，以及其他气象现象所产生的噪声也属于大气噪声。(2)太阳系噪声这是指太阳及太阳系行星所辐射的无线电噪声。其中太阳的影响最大，而且极不稳定，与太阳的黑子数及日辉(即太阳大爆发)有关，对地面的干扰比较严重。(9)宇宙噪声主要指太阳系外其他星系所辐射的无线电噪声。通常银河系的辐射较强，其影响主要在米波及更长波段内(1.5m,1.85m,3m,15m)。当前第14页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20233、根据噪声频率分类当前第15页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20234、根据噪声对电路作用的形态来分类噪声对于电路作用的形态有两种，一种是串模，一种是共模。串模噪声也常称正态噪声、常态噪声、串态噪声或平衡噪声等;共模噪声常称为共态噪声、同相噪声、对地噪声或不平衡噪声等。当前第16页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20234、根据噪声对电路作用的形态来分类噪声对于电路作用的形态有两种，一种是串模，一种是共模。串模噪声也常称正态噪声、常态噪声、串态噪声或平衡噪声等;共模噪声常称为共态噪声、同相噪声、对地噪声或不平衡噪声等。当前第17页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

共模噪声对于电路的作用形态可由下图来说明。在以大地电位为基准的回路中，两根线A与B上均对地有一个噪声电压Un。在这个电路中Un的产生是由于二个回路间存在着一个公共阻抗R，回路1的电流变化，通过公共阻抗的耦合，给回路2造成了影响。若Us是直流信号,Un是交流信号的话，线A与B上的波形如下图c)所示。当前第18页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

共模噪声往往可以转换成为串模噪声。一般说来，共模噪声要转化成串模噪声才对电路起影响。若一电路完全平衡，则说明它有完全不使共模噪声转化成串模噪声的能力。然而，完全平衡是很难做到的，总存在程度不同的不平衡，因而也总存在串模噪声的影响。衡量一个电路抗共模噪声的能力，可以用它抑制转化成串模噪声的能力来表示，即用eCM/eNM的比值表示。电路的共模抑制能力常用CMRR(dB)表示:当前第19页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20235.以噪声不同传播途径来分类大致可有:导线传导的藕合噪声经公共阻抗的藕合噪声电磁场的藕合噪声其中，电磁场的藕合根据离辐射源的距离远近，可分为近场的感应和远场的辐射。在近场感应噪声中又可分电容性藕合噪声和电感性藕合噪声两种。电容性耦合的噪声主要由电力线通过相互间电容藕合来传播的;电感性耦合的噪声主要由磁力线通过相互间的电感来传播的;而远场的辐射则是电磁波方式传播的。当前第20页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023一、抗干扰的三要素描述一个电路所受干扰的程度若用N表示，则N可用下式来定义：第二节抗干扰的三要素和抗干扰的积极措施

这里，G代表噪声发生源的强度;C代表从噪声源通过某种途径传到受干扰处的藕合因素;I表示受干扰的电路的抗干扰性能。G,C,I即表示了抗干扰的三要素。要使电路受干扰的程度小，则必须在这三方面想办法。第一使G变小，就是将客观存在的干扰源强度在发生处抑制得很小;第二使C减小，将噪声在传播途径上给予很大的衰减;第三应使I增大，在受干扰处用各种措施，使电路的抗干扰能力提高，或在受干扰处将噪声抑制下去。当前第21页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023二、在噪声源处抑制噪声最为有效

如果能找到噪声源，而且在噪声源处采取措施不让噪声传播出来，那不就彻底地解决了问题吗?在其余二方面就不必多花力气了。可是事实表明，在干扰现场，因情况复杂，往往注意力被各种受干扰的效应和现象所吸引，忘记了这一基本道理，却忙于在受干扰处采取各种措施，结果效果并不理想。例如，在一个实验室里经常发现一些电子设备受干扰而误动作，曾花了不少精力来提高这些设备的抗干扰性能，但效果却不好。到最后却发现这些干扰均是一只电磁继电器所引起的，结果只用了一个二极管并接在继电器线圈上就将问题全部解决。所以在理论上和实践上都告诉我们，无论受干扰的情况怎样复杂，应首先去研究如何在噪声源处就将噪声抑制下去的办法，这样往往可以取得事半功倍的效果。当前第22页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

1.开关白炽灯装置中的各种指示灯常用白炽灯。我们知道，白炽灯在未点亮的时候，灯丝是冷的，电阻很小。在电源接通的瞬间，灯丝上突然流过比稳定时大5-15倍的冲击电流，灯丝变热后，电阻变大，电流才变小而稳定下来。如小型灯泡的正常稳定电流是50mA，则冲击电流瞬间可达0.5A。当前第23页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

2.集成电路的开关工作数字集成电路在输出状态翻转时，其工作电流的变化很大。特别是腾柱输出结构的TTL电路，在状态转换的瞬间，由于电荷储存的原因，会有大约10ns的瞬间同时导通，这相当于电源对地短路。每一个门电路，在这转换瞬间有30mA左右的冲击电流输出。冲击电流是宽度约为10ns的三角波，含有十分高的频率成分，它在印制线的阻抗上产生尖峰噪声电压。当前第24页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第25页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

3.接通电容性负载当接通电容性负载的瞬间也会产生突变的冲击电流。如下图所示，这样的电路在开关S合上的瞬间，由于电容器的特性，其两端的电压不能突变，对于充电电流，它等效于短路，电流值仅由回路的电阻R决定。当前第26页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第27页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

4.断开电感性负载如下图所示，在电感负载上流动的电流突然被中断时，瞬间在电感中会产生与原来电流方向相反的冲击电流，在电感两端形成一种反冲电压。正常电流越大或电感量越大，所产生的反冲电压也越大。反冲电压的幅值可以比电源电压高10-200倍。当前第28页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023如右图所示，电源电压为24V，当电源突然切断时，电感两端将产生350V幅值的反冲浪涌电压。图a)是这种反冲浪涌电压的波形。电感负载成为一种强烈的干扰源的情况是常见的，只要电路中存在着诸如继电器之类电感负载的开关工作，又不采取任何措施，那么电路一定会受到这种反冲电压的干扰。例如，电网上只接有一只8W的荧光灯的开关，也会成为附近电子设备受干扰的原因。当前第29页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

当由于机械式接点造成电感性负载的电流突然中断，则电感内部的能量将消耗在接点间的放电中，这又是一个强烈的噪声源。在一般回路中，机械式接点断开时，只要接点间有15V以上的电位差和回路上有0.5A电流流过时，接点间就会产生火花放电，这种放电还会产生强烈的高频波辐射噪声。当接点间电压高于300V时，将发生辉光放电，成为更强烈的噪声源。当前第30页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

抑制电路有几种，要根据实际情况加以选择。当前第31页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第32页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第33页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023第三节在噪声传播途径中抑制噪声的措施一、导线传导耦合噪声的抑制方法抑制由导线直接传导的噪声，主要措施是串接滤波器。滤波器是一种让给定频带的信号通过，而对其他频率成分产生很大衰减的电路。它分为低通滤波器（LPF),滤除高频成分而让低频成分通过;高通滤波器（HPF)滤除低频成分，而让高频成分通过;带通滤波器(BPF),只让某一频率范围通过，高于或低于该频率范围的成分都被滤除;与带通滤波器作用相反的叫带阻滤波器。当前第34页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第35页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第36页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第37页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当前第38页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

如果噪声的频率远高于信号频率，常用下图简单的LC低通滤波器，其结构简单，滤除噪声的效果也较好。当前第39页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

除此之外，利用具有去耦滤波器作用的积分电路，也可有效地滤除传导噪声。简单的积分电路如下图a)所示，由电阻R和电容C组成。图b)为输入波形。当RC时间常数为一合适值时，电容C反复充放电，在输出端出现随时间而被积分的波形，如图c)所示。要想从含有较高频率成分的信号中消除噪声，可取RC时间常数大于噪声周期，小于信号周期。当前第40页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023二、公共阻抗耦合噪声的抑制方法1.公共阻抗耦合的噪声公共阻抗耦合是指噪声源回路和受干扰回路之间存在着一个公共阻抗，噪声电流通过这个公共阻抗所产生的噪声电压，传导给受干扰的回路。当前第41页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是接地线成为公共阻抗的典型例子。这里三个回路以串联的方式接地，阻抗Z1就成为回路1,2,3的公共阻抗，阻抗Z2则为回路2,3的公共阻抗。这样，任何一个回路的地线上有电流流过，都会影响其他回路。也就是说，每个回路的接地点A,B,C都不是真正的零电位，而是随各个回路的电流大小变化而变动。例如，回路1是0-10mV直流输入的低电平放大器，而回路2是。0-50mA直流输出的数字电路，公共阻抗Z1只有10mΩ的线路阻抗，则放大器就有。0-500uV的误差电压产生。这相当于0-5%的误差。当回路3是大功率继电器驱动电路时，对放大器的影响更加严重。当前第42页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232、一点接地法避免公共阻抗清除公共阻抗耦合的方法主要有两个，一个是采取一点接地，另一个是尽可能降低公共阻抗。一点接地法就是把各回路的接地线集中于一点接地。在小信号模拟电路、数字电路和大功率驱动电路混杂的场合，采用大信号地线和小信号地线分开的办法。机内布线完全是两个系统，只有在电源供电处才一点相接。这样，既保证两个地线系统有统一的地电位，又可避免地线形成公共阻抗。当前第43页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232、一点接地法避免公共阻抗对于直流电源的供电线路，也要尽量避免因公共阻抗负载的变动而影响其他负载。图a)是由于供电线存在的公共阻抗R1,R2，一个负载的电流变动影响另一个负载的情况。当负载电流变动是脉冲性质，就会在电源电压上产生尖峰状噪声。图b)的接法则避免了公共阻杭，即便负载有较大的变动，由R1,R2产生的压降也不会影响其他负载。当然，电源的内阻也是一个公共阻抗，这是无法消除的，只能减小它。当前第44页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232、一点接地法避免公共阻抗交流供电线路中也有同样的问题。例如，电网供电设计成如下图，由于电梯、冷气设备等大功率负载启动或关断时产生的尖峰状电压或电流，通过和计算机供电电网形成的公共阻抗，藕合给计算机。解决的方法是减小公共阻抗，或者使这个公共阻抗远离计算机，大功耗负载所产生的浪涌噪声或尖峰状噪声‘经较长距离的电线衰减后，其影响会显著变小。当前第45页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20233.要重视减小公共阻抗中的电感成分上述的公共阻抗，除了电阻外，还包含有容抗和感抗。然而，事实证明，许多人往往把公共阻抗只看成是电阻，这在抗干扰技术上是一个相当严重的错误，并因这种疏忽而导致线路的严重干扰。由于噪声往往具有很高的频率成分，所以，对于公共阻抗，就不应单纯地只看到它的电阻成分。特别是对于常用的电线、印制板上的印制线，从噪声或从高频的角度来看，与其说它是电阻，倒不如认为它是电感。因为，在高频时导线的等效电路是由电阻和电感串联而成，频率越高，感抗成分占整个阻抗的比例越大。这里可做些分析。直线形状的导线，其电感可由下式计算：当前第46页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023这里l为导线的长(cm),C为导线的直径(cm),A是常数，它由导线断面内的电流分布所决定，根据趋肤效应的作用，A为0.75-1，无趋肤效应时为0.75，电流集中于导线表面时为1。下图是计算直径2mm铜导线电感量L的实例。由图可知，直径为2mm的直线铜线，每1m长电感量为1uH左右。当前第47页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023不要因为这个电感值小而忽视它，用ω=2πfL公式计算一下，在1MHz时其阻抗是6.3Ω，对10MHz则是63Ω。可想而知，当导线上瞬间有峰值IA的脉冲状噪声电流通过时，将会有多大的噪声电压产生。再对印制线路板的印制线进行分析。印制线路板一般是在玻璃环氧基板上粘合着一层约35um厚的铜箔，印制线如宽1mm,则每10mm长，其电阻值为5mΩ左右，其电感量为4nH左右。我们分析比较一下印制线的电阻和电感所产生的噪声。当前第48页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023图a)是集成电路开关工作时流过的电流波形。这是模型化的、并不是实际测得的波形。图b)是集成电路和旁路电容之间的等效电路。根据每10mm长的印制线所含电阻值和电感值来估算电路各部分所产生的噪声电压:电源的印制线共长50mm,电阻值为25mΩ,产生的噪声电压为0.75mV;电源的印制线所具有的电感量为20nH，产生的噪声电压为120mV;地线印制线长33mm，电阻值为16mΩ,噪声电压为0.48mV;地线印制线的电感量为13nH,噪声电压为78mV;旁路电容容量为0.05uF,噪声电压为3mV。比较这五部分噪声电压可以清楚地看到，印制线电感成分所产生的噪声电压要比电阻成分所产生的噪声电压大几百倍，因此，电阻因素可以忽略，而电感因素则不能忽略。当前第49页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

通过上述两个实例的分析，可以看到无论是导线还是印制线，其形成公共阻抗，电感成分是产生噪声电压的主要因素。所以，在布线和设计印制线路板线路时，要尽量降低作为公共阻抗的导线或印制线所含的电感量。例如，对于地线可选用尽可能粗的导线，有条件时可采用电感量很小的铜板条;印制线路的地线也要尽量做到短而粗，必要时可用大面积的铜箔作为地线来降低其阻抗等。当前第50页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023三、电容性耦合噪声及其抑制方法1.电容性耦合传播噪声的机理电容性耦合在一般文献中又常称为静电耦合和静电感应。这种噪声传播的方式可举个通俗例子来说明。在初等物理的静电感应实验中，当一个带电体接近下部带有两片金属箔的静电检测器时，金属箔产生感应电荷因同性相斥而张开，带电体离去因自重而又闭合。从干扰的角度来看，金属箔的张合是一种受干扰的效应。这是由于电力线的作用，从一方向另一方传送了静电的变化，这就是静电感应。电容器能传导交流电也是基于这种原理，所以，从电容器传导变化电压的角度上可以认为，这种噪声的传导属于电容性耦合。当前第51页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

导体间的电容性耦合的简单表示方法如下图a)所示。其中，导体A是噪声源，其对地噪声电压为Us;导体B是受感应的导体，其对地电阻为RL，对地电容为CL;UN为导体B所感应的噪声电压;A和B两者间的分布电容为Cs。图b)是UN的频率特性曲线当前第52页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232、抑制电容性耦合的措施电容性藕合噪声的大小与噪声频率成正比，与受感应体的对地阻抗Rf成正比，与两导体间的分布电容量成正比，当然还应与噪声源的噪声电压US，成正比。

不管怎样，抑制电容性藕合噪声的一个最基本的方法是减小与噪声源的分布电容CS。下图是说明加大与噪声源间距来减小分布电容CS的实例。图中的噪声源是交流100V,50Hz的电源线，对与之并行的电路布线产生静电感应，在其间距分别为2mm和1Omm的情况下，所测得的U、噪声电压各为2.1V和0.32V。这说明，两根线的间距加大，可以使分布电容急剧下降，因而导致噪声耦合的减弱。这就是在装配工艺上常常要求信号线要与成为噪声源的电网电源线、功率线等尽量远离分开布线的主要原因。当前第53页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20233.静电屏蔽的几种形式

有时因条件限制，不能加大间距来减小耦合电容量。因结构的关系而采用静电屏蔽的方法。静电屏蔽是切断电容性耦合的一个十分有效的方法。静电屏蔽有多种形式。右图是一个典型的形式。静电屏蔽实际上就是将带电体发出的极大部分电力线屏蔽掉。由于电力线变得很少，导体间的电容量也就变得很小，通过电容性耦合的噪声当然也就很小。电力线是从带电体中呈放射状发出的，有时为了简便，不一定要将此带电体完全包围起来，而只在所需方向上加屏蔽板也能取得较好的效果。当前第54页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

如下图a)所示，在两个导体之间放入接地的导体就可以使它们之间的静电耦合减轻，这可以应用在印制板线路设计上。在两根印制线之间加一条接地的印制线，就能有效地起到静电屏蔽作用。如下图b)所示的两个导体之间的分布电容Cs，当它们如图c)那样接近地平面时，电容量Cs也会减小，成为C's，这也被认为是一种静电屏蔽的方式。这种方式常用于高频电路印制线路板的设计中，在装元器件的一面全部用铜箔作为地平面，在其反面的印制线路之间相互感应会显著地降低。当前第55页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

在电路中最常见的静电屏蔽是导线的屏蔽。一般用编织线作为屏蔽层将导线包围起来并且接地，因此能保护线路不受外界电场影响。另外也防止了导线产生的电力线向外界泄漏，成为静电感应的噪声源。

静电屏蔽抑制电容性耦合噪声的效果一般要比用拉大间距减小分布电容的效果来得显著。当前第56页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023四、电感性耦合噪声及其抑制方法1、电感性耦合传播噪声的机理及其抑制方法电感性耦合一般又称为电磁耦合或电磁感应。从物理学可知，线圈切割磁力线会感应出电动势。反之，线圈不动，周围的磁力线变化，也同样会在线圈两端感应出电动势。所以，一根导线，当流过它的电流大小发生变化，在其周围就会产生出变化的磁场。若在这个交变的磁场中有另一个电路回路，就会在回路中感应出电动势。从干扰的角度看，这个回路受到了这根导线的干扰。从物理学可知，这两部分通过磁力线形成的耦合，其程度可用互感来表示。当前第57页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是两个回路之间的电感性耦合的原理图。噪声源电压为U1，导体1和导体2可以是导线也可以是线圈。U1在导体上通过的电流为I1，产生与电流成正比的磁通φ1当前第58页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023当这个回路的电流在另一回路中产生磁通时，这两个回路之间就存在着一个互感M：式中的φ12表示回路1的I1，在回路2中所产生的磁通。这个磁通在回路2中所感应的电压UN,可用这两个回路的互感形式来表示:由上式可知，电感性耦合的噪声大小与噪声源回路的电流I1变化率成正比，与互感M成正比。要抑制这种噪声，除了在噪声源抑制其变化率外，还应使互感M减小。当前第59页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023两个回路之间的距离对互感的影响很大，尽量拉开间距可以减小噪声的耦合。另外，要使回路1和回路2的环路面积尽可能地小，特别要避免回路2的环路平面与回路1产生的磁通垂直相交。即使是垂直相交，回路之间的相对位置不同，耦合程度也会不同。下图是两个对比的例子，图b)的情况比图a)更恶劣，b-c组成的回路受到的磁通影响要大得多。当前第60页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

减少电感性耦合的有效方法是采取电磁屏蔽。电磁屏蔽主要是利用在低电阻的金属屏蔽材料内流过的电流来防止频率较高的磁通干扰。

当前第61页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023电磁屏蔽的形式有多种。下图是一种常见的电磁屏蔽方法，它一般用来屏蔽象线圈等那样向外泄漏磁通的元器件。当线圈中有交变信号通过时，就会产生交变磁通，形成电感性耦合的噪声源。若用低电阻的金属制成圆筒形的容器将它包围起来，这时线圈的交变磁通穿过金属圆筒时，就会在金属层内产生涡流电流;这种涡流电流也产生一种磁通，这个磁通的方向正好与原来的磁通方向相反，互相抵消。所以，基本上隔离了磁通向外泄漏，从而抑制了通过电感性耦合噪声的传播。当然，这种屏蔽体如果接地，又同时有静电屏蔽的作用。屏蔽接地当然不妨害电磁屏蔽功能，所以一般电磁屏蔽也接地。当前第62页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

电磁屏蔽与静电屏蔽还有一个不同的地方，就是严格的电磁屏蔽必须没有缝隙地严密地包围受屏蔽体，而静电屏蔽要求并不那么高。这是由于噪声磁通使屏蔽体上产生涡流电流，它产生的磁通正好与噪声磁通相反。如果在垂直于此电流方向上有缝隙，就会阻止涡流电流的流动，因而影响电磁屏蔽的效果。对于静电屏蔽，屏蔽体上有缝隙几乎对屏蔽作用无影响。

电磁屏蔽的严密性与被屏蔽体所使用的频率高低有关。例如，为屏蔽50Hz电源变压器的外泄磁通，在变压器的周围加一头尾短路的铜带就有相当的效果。但对频率高的磁通，这种办法就不那么有效，这时要将受屏蔽体全部包围才有效。电磁屏蔽还要注意屏蔽壳体不能太小，否则会影响受屏蔽体本身的电感量，而使电路的参数发生变化。或者，由于屏蔽壳体的振动，引起回路常数的变动，造成新的干扰。当前第63页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023电磁屏蔽所用的金属材料只要求导电性能好。材料厚度只需从机械强度的角度来考虑。电磁屏蔽对很低的低频不是十分有效，这时要用高导磁率材料进行磁屏蔽，以便将磁力线限定在磁阻很小的磁屏蔽导体内部，防止扩散到外部。这里，可选用坡莫合金等对低磁通密度有高导磁系数的材料，并要求一定的厚度。下图a)表示，线圈发出的低频磁通的绝大部分集中于高导磁的屏蔽体内，而很少向外泄漏。图b)是用屏蔽来保护某个区域不受外界磁通的影响，将高导磁材料置于屏蔽区域周围，以便提供一个低的磁阻旁路来达到排除磁通的影响。当前第64页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232.对作为噪声源的导线实行屏蔽对通过噪声电流的导线实行电磁屏蔽，抑制它作为噪声源向外界的干扰，是导线屏蔽的原因之一。下图a)所示的导线AB流过电流I时，成为向外界发出磁通的噪声源。这时如图b)那样若对导线AB进行电磁屏蔽，电流I在流经负载RL之后，全部通过导线的屏蔽体返回信号源的地。由于屏蔽体上流过的电流也产生磁通，并且与导线产生的磁通大小相等而方向相反，这样在屏蔽体外面，不存在磁通，也就是说，导线AB被电磁屏蔽了。当前第65页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图表示了信号源和负载RL接地的情况，在加屏蔽体后其电磁屏蔽效果会受到一定影响。因为流过RL的电流I将会按图示那样分成I1、I2二个方向返回信号源的地，I2显然要比I小，它产生的抵消磁通肯定也比原来的要小。当前第66页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023屏蔽体的一个重要特性，是它的截止频率ωC。ωC

=Rs/Ls，其中Rs,Ls分别为屏蔽体的电阻和电感。当导线中流经的电流，其频率远大于屏蔽体的截止频率时，由于屏蔽体与导线之间的互感作用，屏蔽体将提供比地面回路的电感低得多的电流归路，在频率较高时这种电感的阻抗是整个阻抗的主要因素，绝大部分电流仍流过屏蔽体，因而屏蔽是非常有效的。而只有当频率低于5ωC时，大部分电流将从地面回路返回，这时的屏蔽作用是比较小的。大多数电缆、屏蔽体的截止频率以及其5倍的截止频率在数千赫到数十千赫之间。当前第67页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20233.屏蔽导线使其不噪声环境影响将信号导线进行屏蔽，使其在噪声环境中不受噪声的电磁耦合，是对导线屏蔽的另一个原因。这种导线屏蔽的原理与上述导线屏蔽不相同。由前可知，两个回路之间因电感性耦合而传播噪声，其噪声电压UN除了和di/dt有关外，还与互感M有关，而M是两个回路之间的几何形状和介质磁特性所决定的。当前第68页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是几种情况的对比。图a)是不加屏蔽，回路的包围面积大，易受外界磁通影响。图b)是加不接地的屏蔽，不能减小回路的包围面积，无电磁屏蔽的效果。图c)是加一端接地的屏蔽，也不能减小回路所包围的面积。图d)是将屏蔽体两端接地，可以减小回路所包围的面积，有电磁屏蔽作用。当然这是有前提的，电流I的频率应远大于导线的截止频率，否则，大部分返回电流也将从地面回路返回，也不能缩小回路包围的面积。当前第69页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

对于导线的屏蔽，一般都因使用方便、价格较低等原因，大多采用金属编织网作屏蔽体而不大采用无缝的导体。典型的编织网只能提供60-90%的复盖层，所以效果不如无缝的导体。特别是频率越高，效果就越差，这是由于编织网孔与波长比较，相对地孔变大了的缘故。另外，编织网由于它的电流分布均匀性不如无缝导体，所以编织网一般应镀锡和镀银，使网状编织线之间接触良好。导线屏蔽要注意屏蔽的完整性，特别是导线终端处理，要使屏蔽完全包围引出线头，这可使用金属电缆接头或金属的插头座。当前第70页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20234.双绞线的电磁屏蔽原理及其效果双绞线也是导线电磁屏蔽的一种形式。它对屏蔽噪声源导线发出的磁通以及屏蔽信号导线使其不受外界磁通干扰，都是有效果的。下图是双绞线对作为噪声源的导线实施屏蔽的原理图。当双绞线中有电流流过时，在各个导线绞合所组成的面积很小的环路内，产生相应的磁通。而在环路外，由于环的两边导线流过的电流方向相反，产生的磁通方向相反而大部分被抵消。这种屏蔽方式常用于电子管灯丝、交流电源、指示灯、继电器等大功率设备的供电线上，使供电线上发散的磁通减少到最低限度，减小对其他电路的电磁影响。当前第71页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是双绞线作为屏蔽信号导线，使其免受外界磁通干扰的原理图。双绞线在噪声磁通中，每根导线均被感应出噪声电流，其电流方向如图所示。这样，同一根导线在相邻两个环的两段上流过的噪声电流大小相等方向相反，因而被抵消。所以，在总的效果上，导线并没有感应噪声电流。当前第72页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

双绞线的屏蔽效果随每单位长度的绞合数的增加而提高。双绞线由于使用十分方便、价格很低，屏蔽效果也较好，所以，在屏蔽中常用到它。双绞线如再外加金属编织网就可克服双绞线易受静电感应的缺点，使其屏蔽效果更好。下表是几种不同双绞线的效果比较。

双绞线和屏蔽双绞线非常适用于频率低于100kHz的屏蔽，有时也可高达10MHz，实际上高于1MHz时，其损耗已增大。当前第73页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20235、同轴电缆的效用以及屏蔽体的接地同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃至超高频的频段。当高于数百兆赫时，同轴电缆的损耗将变得很大;就应考虑采用波导。有屏蔽的双绞线与同轴电缆相比，具有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。导线的屏蔽要十分注意屏蔽体的接地方法。在图1.48中，当频率低于屏蔽体截止频率时，因这时大部分的返回电流经过地面而不是经过屏蔽体，因而不能起电磁屏蔽作用。所以，在低频时不能采用两端接地的接法。当前第74页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20235、同轴电缆的效用以及屏蔽体的接地同轴电缆是一种特制的用金属编织网作屏蔽的电缆，在很大的范围内具有均匀不变的低损耗的特性阻抗，可用于从直流到甚高频乃至超高频的频段。当高于数百兆赫时，同轴电缆的损耗将变得很大;就应考虑采用波导。有屏蔽的双绞线与同轴电缆相比，具有较大的电容，故不适用于高频或高阻抗回路。导线的屏蔽要十分注意屏蔽体的接地方法。在前面讲过的两点接地中，当频率低于屏蔽体截止频率时，因这时大部分的返回电流经过地面而不是经过屏蔽体，因而不能起电磁屏蔽作用。所以，在低频时不能采用两端接地的接法。当前第75页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023将同轴电缆的屏蔽体在一点接地，可对电容性耦合噪声有较大的抑制。但如有噪声电流流过屏蔽体时，将产生一定的噪声电压，其幅度为屏蔽电流和屏蔽体电阻之乘积。因为这时屏蔽体是信号回路的一部分，所以这时噪声电压与输入信号串联。还有一种双重屏蔽或三轴电缆，其两层屏蔽体之间相互绝缘，这可以限制由屏蔽电阻产生的噪声，噪声电流流经外层屏蔽体，信号电流流经内层屏蔽体，两种电流都不流过公共阻抗。可是三轴电缆价格较高，使用也不方便。而同轴电缆在高频时由于趋肤效应，其工作状态也近似于三轴电缆，典型的屏蔽在1MHz附近，噪声电流将只流经屏蔽体的外表面，而信号电流则只流经其内表面。由于具有这样的特性，所以同轴电缆在高频段被广泛采用。当前第76页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是低频时屏蔽双绞线及同轴电缆屏蔽体接地方法。它们均采用一端接地，从而避免了因两端接地产生的接地电位差所造成的流经屏蔽体的电流，这种电流将严重影响屏蔽效果。图I.53是两端接地与一端接地时噪声抑制的对比。当前第77页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023下图是两端接地与一端接地时噪声抑制的对比。当A,B两端均须要接地时，则要设法切断这个地环路。当前第78页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

在高频时，例如当频率高于1MHz或电缆长度超过波长的1/20时，屏蔽体可以两端接地，或者每隔1/10波长接地一次的多点接地，以保证屏蔽层上的地电位。有时可以采取一端接地，另一端接一个小电容再接地。在低频时，因电容有较大的阻抗，可认为是一端接地，而在高频时，电容阻抗变低，则成为两端接地。高频时的两端接地是比较实用的，这时由于地电位差在电路中引起的噪声电压，其主要频率成分是工频信号及其谐波，与高频信号相差很远，十分容易被滤除。另外当频率高于1MHz时，趋肤效应使噪声电流在屏蔽体的外表流动，信号电流在屏蔽体的内层流动，也会减小噪声对信号的藕合。当前第79页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023屏蔽体的接地，在工艺上要给予确实可靠的保证，接地阻抗要低。若确定了一点接地，则就要采取措施确实保证。例如，对金属屏蔽体加绝缘护套，以免在布线时与底板接触形成多点接地，或由于这种接触形成新的噪声耦合。另外，屏蔽体要给予很好的固定。屏蔽电缆常用介电常数较大的聚乙烯作绝缘层，屏蔽体因振动与绝缘层摩擦，会产生静电而成为另一种干扰。当前第80页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20236.电容性耦合噪声与电感性耦合噪声的比较电感性耦合噪声和电容性耦合噪声有时往往是同时存在的，两者很容易相互混淆，如果在处理干扰时不能分清这两种噪声，则就不可能有的放矢地采取有效的措施。下表是区分这两种噪声的大致原则。可以认为高电压回路容易成为电容性耦合的噪声源，大电流回路容易成为电感性耦合的噪声源。当前第81页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023

从噪声对电路起作用的形态来区分，电容性耦合噪声对于受感应的电路是属于一种共模噪声的形态，几个噪声源对电路的感应是对地并联地叠加，见图a)。而电感性耦合的噪声对于电路来讲是一种串模噪声，几个噪声源对电路的感应是和电路的信号源相串联地叠加，如图b)。当前第82页\共有91页\编于星期五\20点6/4/2023五、电磁场耦合噪声及其抑制方法1.近场和远场(感应场和辐射场)辐射的电磁场之特性是由源的特性来决定的，源周围的介质以及源与观察点之间的距离等都能影响场的特性。在源附近的场，其特性主要决定于源的特性;当远离源的地方，场的性质则主要决定于场传播时所通过的介质。因此，对于电磁场辐射源的周围，可分成近场和远场两个范围，辐射源附近称近场，距离大于λ/2π的地方称远场(λ为波长)。在近场中，噪声一般是通过前述的电容性藕合或电感性藕合的方式传播到电路中。电场E对磁场H的比值常称为波阻抗。在近场时它决定于源的特性和从源到观察点的距离，如源为大电流低电压的情况，则近场主要为磁场，以电感性耦合的噪声为主。若源为高电压小电流，近场主要为电场，以电容性耦合的噪声为主。当频率低于1MHz时，电子线路内的噪声耦合大多是由近场所造成的。因为，根据λ/2π来计算近场的范围很大，在30kHz时，近场范围可达1.6km。当前第83页\共有91页\编于星期五\20点6/4/20232.电磁场耦合的传播方式及其感应噪声辐射的电磁场在空间的传播是由于电场和磁场的相互作用。当空间有静电荷Q时，则产生静电场，该电荷移动时就形成电流，因电磁作用则同时产生电场和磁场。例如，在一根长度为L的导线上流过直流电流I，则在导线周围产生磁力线，而沿导线方向产生电力线，这样就形成了磁场和电场。当电流变化时，导线周围的磁场和电场也相应地改变，这种变化在空间中的传播就是电磁波，传播速度等于光速。无线电广播、通讯设备和其他高频设备的工作，往往辐射功率很大的电磁波。如果在辐射电磁场中放一金属导体，在导体上会产生正比于电场强度的感应电动